JP2004241185A

JP2004241185A - Polymer electrolyte type fuel cell

Info

Publication number: JP2004241185A
Application number: JP2003027045A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Unoki; 重幸鵜木; Eiichi Yasumoto; 栄一安本; Kazuhito Hado; 一仁羽藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: JP4498681B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte type fuel cell excellent in stability of an output voltage without causing flooding even in a low-output operation by smoothly draining condensed water in a separator plate of the fuel cell. <P>SOLUTION: This polymer electrolyte type fuel cell is provided with: an anode and a cathode catching a polymer electrolyte film; the anode-side conductive separator plate having a gas passage for supplying a fuel gas to the anode; and the cathode-side conductive separator plate having a gas passage for supplying an oxidizer gas to the cathode. The gas passage of at least either one of the conductive separator plates is so structured as to set the flow of the gas substantially downward in the gravity direction of the cell, and has a recessed part on the inside surface of the gas passage. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質を用いた燃料電池に係わり、特に導電性セパレータ板のガス流路内凝縮水の排出を良好にした燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極からなる。電極は、白金族金属触媒を担持した導電性カーボン粉末を主成分とする触媒層、およびこの触媒層の外面に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーからなるガス拡散層から構成される。
【０００３】
供給するガスが外にリークしたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これをＭＥＡ（電解質膜−電極接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
これらのＭＥＡとセパレータ板を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００４】
高分子電解質膜は、水分を飽和状態で含水させることにより膜の比抵抗が小さくなり、水素イオン導電性電解質として機能する。よって、燃料電池の稼動中は、高分子電解質膜からの水分の蒸発を防ぐために、燃料ガスおよび酸化剤ガスは加湿して供給される。また、電池発電時には、次の電気化学反応によりカソード側で反応生成物として水が生成される。
【０００５】
アノード；Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
カソード；２Ｈ^＋＋（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ（２）
【０００６】
この生成水は、電解質膜を飽和状態に保つために使用され、さらに余剰の酸化剤ガスとともに燃料電池の外部へ排出される。このため、カソード側の酸化剤ガスに含まれる水分量が酸化剤ガスの流れ方向で差異を生じ、酸化剤ガスの入口側に比べて、出口側では反応生成水に相当する量だけ多量に水分が含まれることとなる。したがって、膜の含水状態を飽和に維持するために飽和状態に加湿された酸化剤ガスを電池に供給すると、出口側では水蒸気が過飽和となり、液体状態となった水（凝縮水）が混在する。このように酸化剤ガス中に液体状態の水が含まれると、液体状態の水は、セパレータ板のガス流路を構成する溝に、表面張力によって液滴として付着する。甚だしい場合は、ガス流路内に付着した水がガス流路を塞いでガスの流れを阻害し、フラッディング状態になる。その結果、電極の反応面積が減少し、電池性能が低下する。
【０００７】
液滴には、液滴自体の重力の他に、ガス流路を流れるガス流によって生じる圧力損失が加わることとなる。したがって、反応ガスの流速やガス流路の断面積を適切に選定することにより、ガス圧力を所定値以上とすれば、表面張力による付着力に打ち勝って、ガス流路を閉塞した液滴を排出することができる。
しかしながら、実使用レベルでのエネルギー効率を最良にするためには、使用状況により出力を変動させることが必要であるため、定格よりも低出力運転をする場合がある。低出力運転の場合、ガス圧力が小さくなり、表面張力による付着力が大きければ、付着した液滴の排出は困難となる。
【０００８】
このように、ガス流路に凝縮水が付着する事態が生じると、やがて、増量した凝縮水によるガス流路の閉塞、つづいてガス流の圧力による凝縮水の排出が起こり、再びガス流路に凝縮水が付着するサイクルを繰り返すこととなる。したがって、ガス流路に凝縮水が付着すると、反応ガスの供給量が不足したり、ガス流路相互の間での流量の不均一を生じたりして、電池特性の低下をもたらす危険性がある。また、発電出力増加に伴うカソードで生成する水の量の増加、あるいは発電出力低下に伴うガス流量の減少による凝縮水に対する排水力の低下により、フラッディング状態になると、カソード側からアノード側に水の逆拡散現象が生じ、アノード側でも水蒸気分圧が上昇する。アノード側で水蒸気分圧が上昇すると、カソード側と同様に、アノード側でもフラッディングが生じ、電池性能低下につながる。
【０００９】
従来のセパレータ板によるガス流路で発生した凝縮水を除去する方法として、ガス流路の内面に金メッキ層からなる撥水処理層を形成したものが提案されている（たとえば特許文献１参照）。また、システムとして、排水装置を設けたものも提案されている（たとえば特許文献２参照）。
しかしながら、コストの増加、装置の大型化などが懸念されるため、実用的とは言い難い。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２９８０６４号公報
【特許文献２】
特開２００２−１９８０６９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような燃料電池のセパレータ板内の凝縮水の排出に関する課題を解決し、低出力運転においてもフラッディングがなく、出力電圧の安定性に優れた高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明の燃料電池は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、および前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板を具備し、少なくとも一方の導電性セパレータ板のガス流路は、ガスの流れが実質的に電池の重力方向の下向きとなるように構成され、かつガス流路の内表面に複数個の凹部を有することを特徴とする。
【００１３】
前記凹部は、その開口部が円形であり、したがって丸穴であることが好ましい。
前記凹部は、ガス流路の内表面、特に内底面にあることが好ましい。
前記凹部は、ガス流路の内表面にガスの流れ方向に沿って直線状に配列されているのが好ましい。
アノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板の双方が前記凹部を有するのが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池は、少なくとも一方の導電性セパレータ板のガス流路は、ガスの流れが実質的に電池の重力方向の下向きとなるように構成され、かつガス流路の内表面に凹部を有する。この凹部により、凝縮水の排水が促進される。この様子を図１に示す。
図１は、セパレータ板に設けられた溝により構成されるガス流路の正面図を表している。ガス流路１の内底面に、円形の開口部をもつ凹部２がガスの流れ方向に沿って直線状に配列されている。ガス流路１は、地面に垂直となるように電池が設置される。供給ガスの圧力により排出されない凝縮水３は、供給ガスの圧力を避けるように、セパレータ板のガス流路１の内表面に備えた凹部２に集まり始め（ａ）、次第に凹部２が凝縮水３で満たされる（ｂ）。その後、凹部の凝縮水が溢れ出る際、他の凹部に溜まっている凝縮水を巻き込むことにより大きな液滴３ａとなる。そして、液滴３ａの重量増加、および流路１を流れるガス流によって生じる圧力の増加により、凝縮水の電池外への排出が促進される（ｃ）。
図１において、直立する流路の中で、凹部２に溜まった凝縮水が表面張力を振り切って流下するには、凹部はその底が狭くなるような構成が望ましい。また、凝縮水を速やかに流下させるには、表面張力が強くなるような開口部が多角形の凹部ではなく、開口部が円形の凹部が好ましい。
図１（ｃ）において、上側の凹部２から流下した凝縮水が直下に位置する凹部の凝縮水に接触して瞬時に両者を含む大きな水球となり、かくして順次速やかに、溜まっている凝縮水を道ずれにして流下するためには、ガスの流れは重力方向になる方が良く、また、凹部の配列は直線状にするのが有効である。ここでガスの流れが重力方向とは、ガス流路が地面に垂直な方向にある場合のみでなく、傾斜していてもよく、液滴が重力により下方に向かって流れるような方向にあればよい。
【００１５】
このように導電性セパレータ板のガス流路の内表面に凹部２を備えることで、高加湿運転、低ガス流速運転、あるいは反応生成水が多くなる高電流密度運転などにおいて、フラッディングが生じにくく、安定した出力特性の燃料電池を提供することができる。
本発明の高分子電解質型燃料電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いることができるが、特にこれらに限定されるわけではない。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の詳細を実施例および比較例を挙げて説明する。これらの実施例は、本発明を何ら限定するものではない。
図２は本発明の各実施例および各比較例において作製した高分子電解質型燃料電池の単電池の構成を示す横断面図であり、図３は本発明の実施例におけるセパレータ板の要部の正面図、図４は図３のＩＶ−ＩＶ’線断面図である。
【００１７】
まず、各実施例および各比較例における燃料電池に共通した電池の構造を図２を参照して説明する。
単電池１０は、高分子電解質膜１１、およびこれを挟むカソード１２およびアノード１３からなる電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）１８、カソード１２へ酸化剤ガスを供給するガス流路１４を有するカソード側導電性セパレータ板１６、およびアノード１３へ燃料ガスを供給するガス流路１５を有するアノード側導電性セパレータ板１７から構成されている。ＭＥＡ１８は、電解質膜１１の周縁部を挟むガスケット１９を有する。セパレータ板１６および１７は、それぞれ背面に冷却水の流路を構成する溝２２および２３を有する。
この単電池を積層したセルスタックにおいては、１つの単電池のカソード側セパレータ板１６とこれに隣接する単電池のアノード側セパレータ板１７との間に溝２２と２３による冷却水の流路が形成される。また、セパレータ板１６および１７並びにＭＥＡ１８は、周縁部に酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水の入り口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔を有している。そして、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水は、それぞれ入り口側マニホールド孔からガス流路１４、１５および冷却水の流路に流入し、出口側マニホールド孔から排出される。図２では、燃料ガスの一対のマニホールド孔２５のみを示している。
【００１８】
カソード側セパレータ板１６およびアノード側セパレータ板１７は、いずれも大きさが１６０ｍｍ角、厚さが５ｍｍであり、ガス流路１４および１５の深さは２ｍｍ、幅は２ｍｍである。高分子電解質膜には、市販品（デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ膜）を用い、電極触媒にはＰｔ担持カーボンを、ガス拡散層にはカーボンペーパ用いた。単電池を３０セル積層してセルスタックとした。セルスタックの両端には、集電板と絶縁板を介して端板を重ね合わせ、締め付けボルトにより締め付けて燃料電池を構成した。セルスタックの両端部のカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板は、背面に冷却水のための溝は設けていない。
燃料電池は７０℃に保持し、アノードおよびカソードにはそれぞれ露点が７０℃となるように加温・加湿した水素ガスおよび空気を供給し、燃料ガス利用率は７０％、酸化剤ガスの利用率は４０％に設定した。
【００１９】
《実施例１》
本実施例のセパレータ板の要部の構成を図３および図４に示す。
セパレータ板３０は、垂直方向に伸びるガス流路３１を並行に配列している。各ガス流路３１は溝で構成され、内底面に、円形の開口部を有する凹部３２をガスの流れ方向に沿って複数設けている。凹部３２はガス流路の幅方向の中心に位置しており、直径ａは１ｍｍ、流路壁との差ｂは０．５ｍｍ、深さｃは１ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは１ｍｍである。本実施例では、上記のような構成のガス流路を有するセパレータ板をカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板に用いる。以下の実施例および比較例においても特に断らない限り、同様な構成のガス流路を有するカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板を用いる。
【００２０】
《実施例２》
実施例１と同様に図３及び図４のような構成を有するが、凹部３２の直径ａは１ｍｍ、流路壁との差ｂは０．５ｍｍ、深さｃは１ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは３ｍｍである。
【００２１】
《実施例３》
実施例１と同様の構成を有するが、凹部３２の直径ａは０．５ｍｍ、流路壁との差ｂは０．７５ｍｍ、深さｃは１ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは１ｍｍである。
【００２２】
《実施例４》
実施例１と同様の構成を有するが、凹部３２の直径ａは１ｍｍ、流路壁との差ｂは０．５ｍｍ、深さｃは０．５ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは１ｍｍである。
【００２３】
《実施例５》
実施例１と同様の構成を有するが、凹部３２の直径ａは０．５ｍｍ、流路壁との差ｂは０．２５ｍｍ、深さｃは１ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは０．５ｍｍである。
【００２４】
《比較例１》
ガス流路に凹部を有しないこと以外は実施例１と同じセパレータ板を用いた。
【００２５】
以上の実施例１〜５および比較例１の各燃料電池について負荷変動試験を行った。まず、電流密度を０．２Ａ／ｃｍ^２として２４時間運転し、次いで０．１Ａ／ｃｍ^２、０．０５Ａ／ｃｍ^２、および０．０３Ａ／ｃｍ^２と順次電流密度を下げて運転して電圧の安定性を比較した。各電流密度における運転時間はいずれも２４時間とした。その結果を図９に示す。
図９から明らかなように、比較例１の電池は、電流密度が０．０５Ａ／ｃｍ^２以下になると、各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。一方、実施例１および実施例５の電池は、０．０５Ａ／ｃｍ^２のみならず０．０３Ａ／ｃｍ^２においても比較例１と比較して、優れた電圧安定性を示している。また、実施例２、３、および４の電池は、０．０５Ａ／ｃｍ^２において、比較例１と比べて優れた電圧安定性を示している。これらの結果から、セパレータ板のガス流路の内底面に凹部を備えることによる顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００２６】
《比較例２》
比較例２に用いたセパレータ板のガス流路の構造は実施例１と同様であるが、ガスの流れる方向が重力方向とは逆、すなわち、下部から上部になっている点が異なる。
このセパレータ板を用いた燃料電池について、上記と同様の方法で、負荷変動試験を行った。この結果を実施例１の結果とともに図１０に示す。
図１０から明らかなように、比較例２の電池は、電流密度が０．０５Ａ／ｃｍ^２以下になると、各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。この結果からセパレータ板のガス流路の内底面に備えた凹部をガスが重力方向、すなわち、上部から下部へ流れることによる顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００２７】
《実施例６》
実施例６に用いたセパレータ板のガス流路を図５および図６に示す。
このセパレータ板４０は、並行するガス流路４１を有し、ガスは重力方向に流れるように電池が設置される。ガス流路４１は、実施例１と同様に、溝の中心部に凹部４２を有する。凹部４２の開口部は１ｍｍ角であり、流路壁との差ｂは０．５ｍｍ、深さｃは１ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは１ｍｍである。凹部４２は１ｍｍ角になっている。
【００２８】
このセパレータ板を用いた燃料電池について、上記と同様の方法で、負荷変動試験を行った。その結果を実施例１の結果とともに図１１に示す。
図１１から明らかなように、実施例６の電池は、電流密度が０．０３Ａ／ｃｍ^２以下になると、各単セルの平均電圧が不安定になっているが、図９の比較例１と比べるとフラッディング現象が抑制されていることがわかる。この結果から、セパレータ板のガス流路の内底面に備えた凹部の開口部の形状が四角形でも効果があるが、円形にすることによって、より顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００２９】
《実施例７》
実施例７に用いたセパレータ板のガス流路を図７および図８に示す。
このセパレータ板５０は、並行するガス流路５１を有し、ガスは重力方向に流れるように電池が設置される。ガス流路５１は、その内底面に実施例１と同様に直径ａが１ｍｍの円形の開口部をもつ凹部５２を有するが、その配列が異なっている。すなわち、凹部５２は、中心部から左右にずらして設けている。凹部５２の流路壁との差ｂ１は０．２５ｍｍ、ｂ２は０．７５ｍｍ、深さｃは１ｍｍ、隣接凹部との間隔ｄは１ｍｍである。
【００３０】
このセパレータ板を用いた燃料電池について、上記と同様の方法で、負荷変動試験を行った。その結果を図１２に示す。
図１２から明らかなように、実施例７の電池は、図９の比較例１と比べるとフラッディング抑制には有効である。しかし、電流密度が０．０３Ａ／ｃｍ^２以下になると、各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。この結果からセパレータ板のガス流路の内底面に備えた凹部の配列を直線状にすることでより顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００３１】
《実施例８》
実施例１のセパレータ板をアノード側セパレータ板に、比較例１のセパレータ板をカソード側セパレータ板に用いた。これを実施例８の燃料電池とする。
【００３２】
《実施例９》
比較例１のセパレータ板をアノード側セパレータ板に、実施例１のセパレータ板をカソード側セパレータ板に用いた。これを実施例９の燃料電池とする。
【００３３】
実施例８および実施例９の燃料電池について、上記と同様の方法で、負荷変動試験を行った。これらの結果を図１３に示す。
図１３から明らかなように、実施例８および実施例９の電池は、電流密度が０．０３Ａ／ｃｍ^２以下になると、各単セルの平均電圧が不安定になり、フラッディング現象を起こしていることがわかる。これらの結果から、ガス流路の内底面に凹部を形成したセパレータ板をアノード側セパレータ板またはカソード側セパレータ板のどちらかに用いることにより効果はあるが、両方に用いることによって、より顕著なフラッディング抑制効果が確認された。
【００３４】
本発明は、前記の実施例に記載のセパレータ板、特にそのガス流路の内表面に備えた凹部の形成方法、ガス流路のパターン形状などに限定されるものではなく、発明の趣旨から容易に置換可能な様々な修正および変形が可能である。セパレータ板の材質に関しても、カーボン以外の材料、例えば、金メッキを施したステンレス鋼材でも良く、当業者によく知られている他の材質を用いることが可能である。さらに、前記各実施例は高分子電解質型燃料電池に関するものであるが、本発明は、電池発電時に電気化学反応によりカソード側で反応生成物として水が生成される燃料電池の全てに適用した場合に大きな効果が得られる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ガス流路内の凝縮水の排出が促進され、かつ低負荷時の電圧安定性などの電池特性に優れた高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセパレータ板における凝縮水が除去される様子を示すモデル図である。
【図２】本発明の実施例における高分子電解質型燃料電池の単電池の横断面図である。
【図３】本発明の実施例１〜５におけるセパレータ板の要部の正面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ’線断面図である。
【図５】本発明の実施例６におけるセパレータ板の要部の正面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ’線断面図である。
【図７】本発明の実施例７におけるセパレータ板の要部の正面図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ’線断面図である。
【図９】実施例１〜５および比較例１の燃料電池の低負荷時の電圧安定性を示す図である。
【図１０】実施例１および比較例２の燃料電池の低負荷時の電圧安定性を示す図である。
【図１１】実施例１および実施例６の燃料電池の低負荷時の電圧安定性を示す図である。
【図１２】実施例１および実施例７の燃料電池の低負荷時の電圧安定性を示す図である。
【図１３】実施例１、実施例８および実施例９の燃料電池の低負荷時の電圧安定性を示す図である。
【符号の説明】
１ガス流路
２凹部
３凝縮水
１０単電池
１１高分子電解質膜
１２カソード
１３アノード
１４、１５ガス流路
１６カソード側導電性セパレータ板
１７アノード側導電性セパレータ板
３０、４０、５０セパレータ板
３１、４１、５１ガス流路
３２、４２、５２凹部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell using a solid polymer electrolyte, and more particularly to a fuel cell in which condensed water in a gas passage of a conductive separator plate is discharged well.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell using a solid polymer electrolyte generates electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen such as air. is there. This fuel cell basically includes a polymer electrolyte membrane for selectively transporting hydrogen ions, and a pair of electrodes disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane. The electrode has a catalyst layer mainly composed of a conductive carbon powder carrying a platinum group metal catalyst, and a carbon layer formed on the outer surface of the catalyst layer and having both air permeability and electronic conductivity, for example, water-repellent carbon. It is composed of a gas diffusion layer made of paper.
[0003]
A gas sealing material or a gasket is arranged around the electrodes with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween so that the supplied gas does not leak outside or the fuel gas and the oxidizing gas do not mix with each other. The sealing material and the gasket are assembled in advance integrally with the electrode and the polymer electrolyte membrane. This is called an MEA (electrolyte membrane-electrode assembly). Outside the MEA, a conductive separator plate for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series is arranged. A gas flow path for supplying a reaction gas to the electrode surface and carrying away generated gas and surplus gas is formed in a portion of the separator plate that contacts the MEA. Although the gas flow path can be provided separately from the separator plate, a method in which a groove is provided on the surface of the separator plate to form a gas flow path is generally used.
These MEAs and separator plates are alternately stacked, and after stacking 10 to 200 cells, it is generally sandwiched between end plates via a current collector plate and an insulating plate and fixed from both ends with fastening bolts. It is a structure of a battery.
[0004]
The polymer electrolyte membrane functions as a hydrogen ion conductive electrolyte by reducing the specific resistance of the membrane by containing water in a saturated state with water. Therefore, during operation of the fuel cell, the fuel gas and the oxidizing gas are supplied in a humidified state in order to prevent evaporation of water from the polymer electrolyte membrane. In addition, at the time of battery power generation, water is generated as a reaction product on the cathode side by the following electrochemical reaction.
[0005]
Anode; H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ (1)
^{_{Cathode; 2H + + (1/2) O}} 2 + 2e - → H 2 O (2)
[0006]
The generated water is used to keep the electrolyte membrane in a saturated state, and is discharged to the outside of the fuel cell together with an excess oxidizing gas. For this reason, the amount of water contained in the oxidizing gas on the cathode side varies in the flow direction of the oxidizing gas, and the amount of water contained in the outlet side is larger than that on the inlet side of the oxidizing gas by an amount corresponding to reaction water. Will be included. Therefore, when an oxidizing gas humidified to a saturated state is supplied to the battery in order to maintain the water-containing state of the membrane to be saturated, the steam becomes supersaturated at the outlet side, and water (condensed water) in a liquid state is mixed. When water in a liquid state is contained in the oxidizing gas as described above, the water in the liquid state adheres to the grooves constituting the gas flow path of the separator plate as droplets due to surface tension. In severe cases, water adhering to the gas flow path blocks the gas flow path, impeding the flow of gas, and enters a flooding state. As a result, the reaction area of the electrode decreases, and the battery performance decreases.
[0007]
In addition to the gravity of the droplet itself, a pressure loss caused by the gas flow flowing through the gas flow path is applied to the droplet. Therefore, by appropriately selecting the flow rate of the reaction gas and the cross-sectional area of the gas flow path, if the gas pressure is set to a predetermined value or more, the liquid droplets that have clogged the gas flow path can be discharged by overcoming the adhesion due to surface tension. can do.
However, in order to optimize the energy efficiency at the actual use level, it is necessary to fluctuate the output depending on the use condition. In the case of low-power operation, if the gas pressure is small and the adhesion force due to surface tension is large, it is difficult to discharge the attached droplets.
[0008]
As described above, when the condensed water adheres to the gas flow path, the gas flow path is blocked by the increased amount of the condensed water, and then the condensed water is discharged by the pressure of the gas flow. The cycle in which the condensed water adheres is repeated. Therefore, if condensed water adheres to the gas flow path, there is a danger that the supply amount of the reaction gas becomes insufficient or the flow rate between the gas flow paths becomes uneven, thereby deteriorating the battery characteristics. . In addition, when the flooding state occurs due to an increase in the amount of water generated at the cathode due to an increase in the power generation output or a decrease in the drainage capacity for condensed water due to a decrease in the gas flow rate due to the decrease in the power generation output, the water flows from the cathode to the anode. The reverse diffusion phenomenon occurs, and the partial pressure of water vapor also increases on the anode side. When the partial pressure of water vapor increases on the anode side, flooding occurs on the anode side as well as on the cathode side, leading to a decrease in battery performance.
[0009]
As a conventional method for removing condensed water generated in a gas flow path by a separator plate, a method in which a water-repellent treatment layer made of a gold plating layer is formed on the inner surface of a gas flow path has been proposed (for example, see Patent Document 1). Further, a system provided with a drainage device has been proposed as a system (for example, see Patent Document 2).
However, it is difficult to say that it is practical because there is a concern about an increase in cost and an increase in the size of the device.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-298064 [Patent Document 2]
JP-A-2002-198069
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves such a problem relating to the discharge of condensed water from the separator plate of the fuel cell, and provides a polymer electrolyte fuel cell which is free from flooding even in low-power operation and has excellent output voltage stability. The purpose is to:
[0012]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the fuel cell of the present invention comprises a polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, an anode-side conductive separator plate having a gas flow path for supplying a fuel gas to the anode, And a cathode-side conductive separator plate having a gas flow path for supplying an oxidizing gas to the cathode, wherein the gas flow path of at least one of the conductive separator plates has a gas flow substantially in the direction of gravity of the battery. It is configured to face downward and has a plurality of recesses on the inner surface of the gas flow path.
[0013]
Preferably, the recess has a circular opening, and is therefore a round hole.
The recess is preferably located on the inner surface of the gas flow path, especially on the inner bottom surface.
It is preferable that the concave portions are linearly arranged on the inner surface of the gas flow path along the gas flow direction.
It is preferable that both the anode-side conductive separator plate and the cathode-side conductive separator plate have the recess.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the fuel cell of the present invention, the gas flow path of at least one of the conductive separator plates is configured such that the gas flow is substantially downward in the direction of gravity of the cell, and a concave portion is formed on the inner surface of the gas flow path. Have. The recess promotes drainage of condensed water. This is shown in FIG.
FIG. 1 shows a front view of a gas flow path constituted by grooves provided in a separator plate. On the inner bottom surface of the gas flow path 1, concave portions 2 having a circular opening are linearly arranged along the gas flow direction. The battery is installed so that the gas flow path 1 is perpendicular to the ground. Condensed water 3 which is not discharged due to the pressure of the supply gas starts to collect in the concave portion 2 provided on the inner surface of the gas flow path 1 of the separator plate so as to avoid the pressure of the supply gas (a), and the concave portion 2 gradually becomes condensed water 3 (B). After that, when the condensed water in the concave portion overflows, the condensed water stored in the other concave portion is involved to form a large droplet 3a. Then, due to an increase in the weight of the droplet 3a and an increase in the pressure generated by the gas flow flowing through the flow path 1, the discharge of the condensed water out of the battery is promoted (c).
In FIG. 1, in order for condensed water accumulated in the concave portion 2 to flow down by shaking off the surface tension in the upright channel, the concave portion preferably has a narrow bottom. Further, in order to cause the condensed water to flow down quickly, it is preferable that the opening for increasing the surface tension is not a polygonal recess but a recess having a circular opening.
In FIG. 1 (c), the condensed water that has flowed down from the upper concave portion 2 comes into contact with the condensed water in the concave portion located immediately below, and instantaneously becomes a large water ball containing both of them. In order to cause the gas to flow down with a deviation, it is better that the gas flow is in the direction of gravity, and it is effective to arrange the concave portions in a straight line. Here, the direction of the gas flow is not limited to the case where the gas flow path is in a direction perpendicular to the ground, but may be inclined, as long as the direction in which the droplet flows downward by gravity. Good.
[0015]
By providing the concave portion 2 on the inner surface of the gas flow path of the conductive separator plate, flooding hardly occurs in a high humidification operation, a low gas flow rate operation, or a high current density operation in which reaction water is increased, and the like. A fuel cell having stable output characteristics can be provided.
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be used for portable information terminals, portable electronic devices, home cogeneration systems, motorcycles, electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc., but is not particularly limited thereto. Absent.
[0016]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples. These examples do not limit the invention in any way.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell manufactured in each of the examples and comparative examples of the present invention, and FIG. 3 is a view showing a main part of a separator plate in the example of the present invention. FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV ′ of FIG.
[0017]
First, the structure of a cell common to the fuel cells in each example and each comparative example will be described with reference to FIG.
The cell 10 has a polymer electrolyte membrane 11, an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) 18 including a cathode 12 and an anode 13 sandwiching the polymer electrolyte membrane 11, and a cathode side having a gas flow path 14 for supplying an oxidant gas to the cathode 12. It comprises a conductive separator plate 16 and an anode-side conductive separator plate 17 having a gas channel 15 for supplying a fuel gas to the anode 13. The MEA 18 has a gasket 19 that sandwiches the periphery of the electrolyte membrane 11. Separator plates 16 and 17 have grooves 22 and 23, respectively, that form cooling water flow paths on the back surface.
In the cell stack in which the unit cells are stacked, the flow path of the cooling water is formed by the grooves 22 and 23 between the cathode-side separator plate 16 of one unit cell and the anode-side separator plate 17 of the unit cell adjacent thereto. Is done. Further, the separator plates 16 and 17 and the MEA 18 have an inlet-side manifold hole and an outlet-side manifold hole at the peripheral edge thereof. Then, the oxidizing gas, the fuel gas, and the cooling water flow into the gas flow paths 14, 15 and the cooling water flow from the inlet-side manifold holes, respectively, and are discharged from the outlet-side manifold holes. FIG. 2 shows only a pair of manifold holes 25 for the fuel gas.
[0018]
Each of the cathode-side separator plate 16 and the anode-side separator plate 17 has a size of 160 mm square and a thickness of 5 mm, and the gas channels 14 and 15 have a depth of 2 mm and a width of 2 mm. A commercially available product (Nafion membrane manufactured by DuPont) was used for the polymer electrolyte membrane, Pt-supported carbon was used for the electrode catalyst, and carbon paper was used for the gas diffusion layer. 30 unit cells were stacked to form a cell stack. At both ends of the cell stack, end plates were overlapped with a current collector plate and an insulating plate interposed therebetween, and tightened with tightening bolts to form a fuel cell. The cathode-side separator plate and the anode-side separator plate at both ends of the cell stack have no grooves for cooling water on the back surface.
The fuel cell is maintained at 70 ° C., and heated and humidified hydrogen gas and air are supplied to the anode and the cathode such that the dew point is 70 ° C., respectively. The fuel gas utilization rate is 70%, and the oxidizing gas utilization rate. Was set to 40%.
[0019]
<< Example 1 >>
FIGS. 3 and 4 show the configuration of the main part of the separator plate of this embodiment.
The separator plate 30 has gas channels 31 extending in the vertical direction arranged in parallel. Each gas flow path 31 is formed by a groove, and a plurality of concave portions 32 having a circular opening are provided on the inner bottom surface along the gas flow direction. The recess 32 is located at the center in the width direction of the gas flow path, the diameter a is 1 mm, the difference b from the flow path wall is 0.5 mm, the depth c is 1 mm, and the distance d between adjacent recesses is 1 mm. . In this embodiment, a separator plate having a gas flow path having the above-described configuration is used for the cathode-side separator plate and the anode-side separator plate. In the following Examples and Comparative Examples, unless otherwise specified, a cathode-side separator plate and an anode-side separator plate having gas passages of the same configuration are used.
[0020]
<< Example 2 >>
3 and 4 as in the first embodiment, except that the diameter a of the recess 32 is 1 mm, the difference b from the flow path wall is 0.5 mm, the depth c is 1 mm, and the distance between adjacent recesses. d is 3 mm.
[0021]
<< Example 3 >>
The configuration is the same as that of the first embodiment, except that the diameter a of the recess 32 is 0.5 mm, the difference b from the flow path wall is 0.75 mm, the depth c is 1 mm, and the distance d between adjacent recesses is 1 mm.
[0022]
<< Example 4 >>
The configuration is the same as that of the first embodiment, except that the diameter a of the recess 32 is 1 mm, the difference b from the flow path wall is 0.5 mm, the depth c is 0.5 mm, and the distance d between adjacent recesses is 1 mm.
[0023]
<< Example 5 >>
It has the same configuration as in Example 1, except that the diameter a of the recess 32 is 0.5 mm, the difference b from the flow channel wall is 0.25 mm, the depth c is 1 mm, and the distance d between adjacent recesses is 0.5 mm. is there.
[0024]
<< Comparative Example 1 >>
The same separator plate as in Example 1 was used except that the gas flow path had no concave portion.
[0025]
Load variation tests were performed on the fuel cells of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 described above. First, the current density for 24 hours drove as 0.2 A / cm ^2, then ^{0.1A / cm 2, 0.05A / cm} 2, and 0.03 A / cm ² and successively voltage by driving a lower current density Were compared for their stability. The operation time at each current density was 24 hours. The result is shown in FIG.
As is clear from FIG. 9, in the battery of Comparative Example 1, when the current density was 0.05 A / cm ² or less, the average voltage of each single cell became unstable, and the flooding phenomenon occurred. On the other hand, the batteries of Example 1 and Example 5 exhibited excellent voltage stability not only at 0.05 A / cm ² but also at 0.03 A / cm ² as compared with Comparative Example 1. Further, the batteries of Examples 2, 3, and 4 exhibited excellent voltage stability at 0.05 A / cm ² as compared with Comparative Example 1. From these results, a remarkable flooding suppression effect by providing a concave portion on the inner bottom surface of the gas passage of the separator plate was confirmed.
[0026]
<< Comparative Example 2 >>
The structure of the gas flow path of the separator plate used in Comparative Example 2 is the same as that of Example 1, except that the direction of gas flow is opposite to the direction of gravity, that is, from the bottom to the top.
With respect to the fuel cell using this separator plate, a load variation test was performed in the same manner as described above. The result is shown in FIG. 10 together with the result of Example 1.
As is clear from FIG. 10, in the battery of Comparative Example 2, when the current density was 0.05 A / cm ² or less, the average voltage of each single cell became unstable, and the flooding phenomenon occurred. From this result, a remarkable flooding suppression effect due to the gas flowing in the concave portion provided on the inner bottom surface of the gas passage of the separator plate in the direction of gravity, that is, from the upper portion to the lower portion, was confirmed.
[0027]
<< Example 6 >>
FIGS. 5 and 6 show the gas flow paths of the separator plate used in Example 6. FIG.
The separator plate 40 has a parallel gas flow path 41, and a battery is installed so that gas flows in the direction of gravity. The gas flow path 41 has a concave portion 42 at the center of the groove, as in the first embodiment. The opening of the recess 42 is 1 mm square, the difference b from the flow path wall is 0.5 mm, the depth c is 1 mm, and the distance d between adjacent recesses is 1 mm. The recess 42 is 1 mm square.
[0028]
With respect to the fuel cell using this separator plate, a load variation test was performed in the same manner as described above. The result is shown in FIG. 11 together with the result of Example 1.
As is clear from FIG. 11, in the battery of Example 6, when the current density was 0.03 A / cm ² or less, the average voltage of each single cell became unstable. The comparison indicates that the flooding phenomenon is suppressed. From this result, although the shape of the opening of the concave portion provided on the inner bottom surface of the gas flow path of the separator plate was effective even when it was square, a more remarkable flooding suppression effect was confirmed by making it circular.
[0029]
<< Example 7 >>
FIGS. 7 and 8 show the gas flow paths of the separator plate used in Example 7. FIG.
The separator plate 50 has a parallel gas flow path 51, and a battery is installed so that gas flows in the direction of gravity. The gas flow path 51 has a concave portion 52 having a circular opening with a diameter a of 1 mm on the inner bottom surface as in the first embodiment, but the arrangement is different. That is, the concave portion 52 is provided so as to be shifted left and right from the center portion. The difference b1 between the recess 52 and the flow path wall is 0.25 mm, b2 is 0.75 mm, the depth c is 1 mm, and the distance d between adjacent recesses is 1 mm.
[0030]
With respect to the fuel cell using this separator plate, a load variation test was performed in the same manner as described above. FIG. 12 shows the result.
As is clear from FIG. 12, the battery of Example 7 is more effective in suppressing flooding than Comparative Example 1 of FIG. However, when the current density is equal to or less than 0.03 A / cm ² , the average voltage of each single cell becomes unstable, and the flooding phenomenon occurs. From this result, a more remarkable flooding suppression effect was confirmed by making the arrangement of the concave portions provided on the inner bottom surface of the gas passage of the separator plate linear.
[0031]
<< Embodiment 8 >>
The separator plate of Example 1 was used as an anode-side separator plate, and the separator plate of Comparative Example 1 was used as a cathode-side separator plate. This is referred to as the fuel cell of Example 8.
[0032]
<< Example 9 >>
The separator plate of Comparative Example 1 was used as an anode-side separator plate, and the separator plate of Example 1 was used as a cathode-side separator plate. This is referred to as the fuel cell of Example 9.
[0033]
For the fuel cells of Example 8 and Example 9, a load variation test was performed in the same manner as described above. These results are shown in FIG.
As is clear from FIG. 13, in the batteries of Examples 8 and 9, when the current density was 0.03 A / cm ² or less, the average voltage of each single cell became unstable, and the flooding phenomenon occurred. You can see that. From these results, it is effective to use a separator plate with a recess formed on the inner bottom surface of the gas flow path as either the anode-side separator plate or the cathode-side separator plate. The suppression effect was confirmed.
[0034]
The present invention is not limited to the separator plate described in the above embodiment, particularly the method of forming the concave portion provided on the inner surface of the gas flow path, the pattern shape of the gas flow path, and the like. Various modifications and variations that can be substituted for are possible. As for the material of the separator plate, a material other than carbon, for example, a stainless steel material plated with gold may be used, and other materials well known to those skilled in the art can be used. Further, although each of the above embodiments relates to a polymer electrolyte fuel cell, the present invention is applied to all fuel cells in which water is generated as a reaction product on the cathode side by an electrochemical reaction during battery power generation. A great effect can be obtained.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell in which discharge of condensed water in a gas flow path is promoted and excellent in cell characteristics such as voltage stability at a low load. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a model diagram showing how condensed water is removed from a separator plate of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a front view of a main part of a separator plate in Examples 1 to 5 of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV ′ of FIG. 3;
FIG. 5 is a front view of a main part of a separator plate according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view taken along line VI-VI ′ of FIG. 5;
FIG. 7 is a front view of a main part of a separator plate according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view taken along line VIII-VIII ′ of FIG. 7;
FIG. 9 is a diagram showing voltage stability at low load of the fuel cells of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1.
FIG. 10 is a diagram showing voltage stability at low load of the fuel cells of Example 1 and Comparative Example 2.
FIG. 11 is a diagram showing voltage stability at low load of the fuel cells of Example 1 and Example 6.
FIG. 12 is a diagram showing voltage stability at low load of the fuel cells of Example 1 and Example 7.
FIG. 13 is a diagram showing voltage stability at low load of the fuel cells of Examples 1, 8 and 9;
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 gas flow path 2 recess 3 condensed water 10 unit cell 11 polymer electrolyte membrane 12 cathode 13 anode 14, 15 gas flow path 16 cathode-side conductive separator plate 17 anode-side conductive separator plate 30, 40, 50 separator plate 31 41, 51 gas flow paths 32, 42, 52 recess

Claims

高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソード、前記アノードに燃料ガスを供給するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、および前記カソードに酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板を具備し、少なくとも一方の導電性セパレータ板のガス流路は、ガスの流れが実質的に電池の重力方向の下向きとなるように構成され、かつガス流路の内表面に複数個の凹部を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池。A polymer electrolyte membrane, an anode and a cathode sandwiching the polymer electrolyte membrane, an anode-side conductive separator plate having a gas flow path for supplying a fuel gas to the anode, and a gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode. A cathode-side conductive separator plate having at least one conductive separator plate, wherein a gas flow path of at least one of the conductive separator plates is configured such that a gas flow is substantially downward in a gravitational direction of the battery; A polymer electrolyte fuel cell having a plurality of recesses on its surface.

前記凹部はその開口部が円形である請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the recess has a circular opening.

前記凹部がガス流路の内表面にある請求項１または２に記載の高分子電解質型燃料電池。The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the concave portion is on an inner surface of the gas flow path.

前記凹部がガス流路の内表面にガスの流れ方向に沿って直線状に配列されている請求項１、２または３に記載の高分子電解質型燃料電池。4. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the concave portions are linearly arranged on the inner surface of the gas channel along the gas flow direction. 5.

前記アノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板の双方が前記凹部を有する請求項１〜４のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池。The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein both the anode-side conductive separator plate and the cathode-side conductive separator plate have the concave portion.